Источник энергии солнца — термоядерные реакции
Повнимательнее вглядимся в источник энергии Солнца — термоядерные реакции. Сначала решим простой вопрос. Ведь если идут термоядерные реакции в звездах (неважно, по какому конкретному механизму), она резко повышает температуру вещества. Это, в свою очередь, должно обязательно повысить скорость процессов, что чревато для звезды весьма опасной возможностью: уподобиться огромной водородной бомбе, в которой термоядерная реакция носит характер взрыва.
Но Солнце светит стабильно, внутри нашей звезды есть механизмы, регулирующие скорость термоядерного синтеза. Что же это за механизмы? Да, в общем-то опять школьная физика, все так же формула Клайперона, действующая, правда, в условиях гравитации. По этой формуле, если повысить температуру объема газа, немедленно произойдет его расширение, отчего газ тут же охладится. Вот поэтому-то в Солнце и существует жесткий механизм обратной связи, и термоядерные реакции в звездах не могут идти в недрах нашего светила с произвольной скоростью. Их скорость полностью определяется самой структурой Солнца.
Вспомним, что такое ядерные реакции. Ядро атома любого элемента (за исключением водорода) состоит из протонов и нейтронов, связанных между собою сильными взаимодействиями. Ясно, что, если протон или нейтрон сталкивается с ядром атома какого-либо элемента и «застревает» в нем, образуется ядро атома нового элемента и вдобавок высвобождается образовавшийся избыток энергии. Этот избыток уносится обычно какой-либо частицей гамма-квантом, нейтрино и другими.
Процесс может быть и более сложным. Вновь образовавшееся ядро распадается на осколки (деление). Но все это и есть, собственно говоря, ядерные реакции. Если мы начнем облучать какое-либо вещество нейтронами, то особых трудностей мы испытывать не будем, поскольку нейтрон не имеет заряда и ничто не мешает ему сколь угодно близко подойти к ядру. С протонами дело обстоит гораздо сложнее. Протон несет положительный заряд, и ему необходимо преодолеть электростатическое отталкивание других протонов в ядре. Сделать это довольно не просто, и поэтому в земных условиях для изучения реакций с этими частицами строят огромные ускорители, которые и сообщают протону необходимую начальную энергию для прохождения потенциального барьера. Если мы хотим заставить про взаимодействовать с каким-либо ядром а-частицу ядро атома гелия-4, ей необходимо будет сообщить еще большую энергию, чем отдельному протону, поскольку в ее составе их уже два.
Ядерные реакции с протонами для космоса — вещь обычная, так как водород — самый распространенный элемент во всей Вселенной. Таким образом, протоны не представляют дефицита, а роль ускорителей в космосе играют, в частности, недра звезд. Температура там столь велика, что часть протонов приобретает вполне достаточные для начала ядерных реакций скорости. Такие реакции, где для «активирования» протонов используется температура, называются термоядерными.
Каковы эти реакции? Главным образом те же, что вызывают взрыв водородной бомбы,- слияние четырех ядер водорода (протонов) через ряд промежуточных реакций в ядро атома гелия. Это так называемый протон-протонный цикл.
Ядро атома гелия весит чуть меньше, чем четыре протона, и в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна Е=тс2 эта разница в массе переходит в энергию, которая и идет на разогрев вещества. Попробуем провести простые количественные оценки выхода энергии в этой реакции. Четыре протона в атомных единицах весят — 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Если весь водород Солнца превратится в гелий, то выделится чудовищное количество энергии
1052 эрг. Так как Солнце излучает каждую секунду 4 • 1033 эрг, то топлива в Солнце хватит примерно на 100 миллиардов лет.
Теперь о механизмах термоядерных реакций в звездах. Вообще говоря, «выход» этой реакции очень мал. Даже в недрах звезд, где условия в общем-то благоприятствуют ее прохождению, лишь один из десятков миллиардов протонов имеет возможность превратиться в дейтерий. Дополнительная трудность для начальной реакции состоит в том, что один из протонов во время акта столкновения должен успеть превратиться в нейтрон. Ведь ядро дейтерия состоит не из двух протонов, а из протона и нейтрона! Выручает то обстоятельство, что число протонов огромно, и поэтому все-таки необходимые условия для некоторых из них выполняются, и начальная реакция «запускает» протонный цикл.
Все возвращается здесь на круги своя: мы снова имеем два протона, цикл замкнулся, но нам надо запомнить, что в результате цикла появилось ядро атома гелия. Это и есть «столбовая» дорога протон-протонного цикла. Кроме нее, существуют два побочных пути. Первый состоит во взаимодействии гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро бериллия может захватить протон и превратиться в бор-8, бор-8 претерпевает бета-распад. Эту реакцию нам надо обязательно запомнить, так как именно с ней связаны наиболее драматические страницы в современной физике Солнца. Радиоактивный бериллий-8 быстро распадается на два ядра «обыкновенного» гелия-4.
Наконец, еще одна «дорожка» протон-протонного цикла состоит в следующем: бериллий-7 может захватить электрон, превратившись после этого в литий-7. А тот, захватив протон, «переходит» в неустойчивый изотоп бериллия-8, судьба которого нам уже известна.
Существует еще один тип ядерных реакций, играющий определенную роль в энергетике Солнца,- углерод-но-азотно-кислородный цикл (С — N-О-цикл). Причем его конечный результат, так же как и в протон-протонном цикле, образование атома гелия из четырех ядер атома водорода. Здесь происходят очень интересные вещи. Все начинается с того, что ядро углерода захватывает протон (ядро атома водорода) и превращается в радиоактивный азот, который, распадаясь, дает более тяжелый изотоп углерода. Этот изотоп тоже захватывает протон и превращается в обычный азот. Но и азот стремится захватить ядро водорода, тем более что недостатка в водороде внутри Солнца нет.
Поглотив протон, ядро азота превращается в радиоактивный кислород, а тот, распадаясь, в стабильный изотоп азот-15. Азот-15 опять захватывает протон. Но даже в недрах Солнца жадность наказуема: распухшее ядро азота-15 с лишним протоном не в состоянии удержать захваченное и распадается на исходное ядро атома углерода-12 и ядро атома гелия.
В результате начавшее всю цепочку захвата ядро углерода-12 осталось «при своем интересе» и вышло из игры, а из четырех захваченных ядер водорода образовалось ядро гелия. Снова работает соотношение Е = тс2, и разность масс между четырьмя протонами и ядром гелия превращается в энергию.
В отличие от первого механизма в различных этапах реакций С — N — О-цикла участвуют атомы углерода, кислорода и азота. Именно поэтому его и назвали С — N -О-цикл. Но если за счет протон-протонного процесса Солнце получает 98 процентов своей энергии, то за счет углеродно-азотно-кислородного только 2 процента.
Нужно сказать, что для звезд более массивных, чем Солнце, роль С — N — О-цикл а значительно существеннее. Понятно, что кулоновский барьер для этой реакции выше, чем в первой реакции протон-протонного цикла. Там реагировали отдельные протоны, а здесь во взаимодействие приходят ядра. Поэтому в более массивных звездах, где температура выше, чем у Солнца, эти реакции будут идти более эффективно.
Итак, и в протон-протонном, и в С — N — О-цикле конечным продуктом термоядерных реакций является гелий. Другими словами: водород звезд выгорает, выгорает в одних случаях медленно, в других побыстрее. Что же происходит со звездами по мере выгорания в них водорода, из какого источника они вновь черпают энергию?
Прежде чем ответить на этот вопрос, следует обратить внимание на термоядерные реакции с легкими элементами — литием, бериллием и бором. Их особенность состоит в том, что и литий, и бериллий, и бор «выгорают» в процессе реакций. Мы видели, что в С — N — О-цикле ядра углерода «возобновляются». Они служат здесь как бы катализаторами реакции. Легкие же элементы вместе с водородом, сгорая в термоядерном котле звезды, быстро исчезают, превращаясь в гелий. Кстати, именно поэтому легких элементов (исключая водород и гелий) в звездах и на Солнце крайне мало. Источником энергии становится так называемый тройной альфа-процесс. Эта термоядерная реакция идет при температуре около ста миллионов градусов. Сначала две а-частицы при столкновении на короткое время образуют неустойчивый изотоп бериллия-8. Он, конечно, может распасться вновь на два ядра гелия-4. Но в том случае, если за какой-то очень короткий промежуток времени он успеет столкнуться еще с одной а-частицей. Получится стабильный изотоп углерода-12, и выделится большое количество энергии. Таким образом, в этой реакции сгорает уже не водород, а гелий.
В обычных звездах «главной последовательности» температура недостаточна для «запуска» тройного а-процесса, но в некоторых специальных случаях именно этот механизм может быть основным источником энергии. Об этих случаях мы поговорим позже, а сейчас зададимся естественным вопросом: откуда в нашем мире появились химические элементы?
О том, как во Вселенной образовались водород и гелий, мы уже говорили. Этот вопрос решается легко и непринужденно в рамках модели Большого Взрыва. Но как объяснить огромное обилие элементов в менделеевской таблице? Почему, к примеру, в космосе очень мало лития, бериллия и бора? Почему существует так называемый железный пик? (Обилие элементов группы железа.) Вопросов немало, и решение их сильно зависит от того, какие температуры достигаются в недрах звезды.
Прежде всего возникает идея о последовательном построении тяжелых элементов из более легких путем присоединения нейтрона к ядру легкого элемента. Такой механизм называется S-процессом. Но откуда берутся нейтроны?
Если в звезде достигнута температура порядка 100 миллионов градусов, в ней начинает идти важная реакция. Эта реакция важна именно потому, что она генерирует нейтроны, которые впоследствии «утяжеляют» ядра легких элементов. Если достигнута температура около 1 миллиарда градусов, нейтроны появляются в результате взаимодействия ядер углерода.
Существуют и другие реакции с образованием нейтронов. Но нам сейчас важно не столько перечисление этих реакций, сколько понимание самой возможности образования тяжелых элементов как путем последовательного присоединения нейтронов, так и путем термоядерных реакций между элементами.
Во всех этих реакциях выделяется энергия. Но образование более тяжелых элементов, чем железо, в процессе термоядерного синтеза затруднено. Это объясняется тем, что ядро железа-56 обладает очень большой энергией связи. Чтобы из этих ядер получить более тяжелые, нужно затратить больше энергии, чем ее освободится в термоядерной реакции синтеза. Поэтому синтез элементов, более тяжелых, чем железо, невозможен в равновесных звездах.
Проблему синтеза элементов нельзя считать решенной до конца прежде всего потому, что нам неизвестно точно, насколько высокими могут быть температуры в недрах звезд. Некоторые особенности в распространенности элементов в космосе сейчас можно объяснить. «Недостача» лития, бериллия и бора вызвана их быстрым выгоранием в термоядерных реакциях. Обилие элементов группы железа («железный пик») связано с повышенной устойчивостью ядер этих элементов и т. д.
Но в мире звезд есть и исключения, причем отнюдь не единичные, и они не укладываются в рамки простых схем, о которых мы сейчас говорили. Проблема образования элементов сложна. Сейчас не видно непреодолимых трудностей на пути ее решения. Тем не менее сам путь решения не будет коротким. Дело здесь, собственно говоря, не в самих ядерных реакциях, а в построении моделей звезд с температурами внутри до 10 миллиардов градусов. Это очень и очень нелегкая задача.
Источник
Какая термоядерная реакция происходит на Солнце?
Известно, что тепло вырабатывается на Солнце вследствие ядерных реакций. В чем суть этих загадочных процессов?
Большая часть привычного нам вещества состоит из молекул и атомов, например, из атомов железа или кислорода. В ходе химических реакций атомы элементов перестраиваются в новые молекулы, но сами не меняются. Долгое время считалось, что получить из атомов одного элемента атомы другого элемента (скажем, из свинца золото) невозможно. Однако в конце XIX в. были открыты ядерные реакции, в ходе которых изменяются сами атомы.
На Солнце происходят термоядерные реакции. Основной из них является протон-протонный цикл. Его суть заключается в том, что из водорода получается гелий. Сначала два протона (а протон – это название ядра водорода) сливаются друг с другом и образуют дейтрон – ядро дейтерия, одного из изотопов водорода. Далее дейтрон сталкивается ещё с одним протоном, в результате возникает изотоп гелий-3. Наконец, два ядра гелия-3 также сливаются, что приводит к образованию гелия-4 и освобождению 2 протонов. Получается, что в ходе цикла этих реакций из 4 протонов получается 1 ядро гелия-4, при этом выделяется некоторое количество энергии.
На протон-протонный цикл приходится 98% энергии, выделяемой на Солнце. В ходе других реакций из гелия получается углерод, из углерода – неон и магний, из неона – аргон и кальций и т.д. Таким образом, в звезде «по цепочке» из водорода образуется огромное количество разнообразных элементов. Этот процесс называют звездным нуклеосинтезом. Изначально, после Большого взрыва, во Вселенной не было никаких других элементов, кроме водорода, гелия и небольшого количества лития. Именно благодаря звездному нуклеосинтезу мы живем в мире, где есть железо, золото, серебро, кислород и ещё порядка 100 элементов таблицы Менделеева.
Для термоядерных реакций нужны особые условия. Дело в том, что протоны обладают положительным зарядом, поэтому они отталкиваются друг от друга. Ядра водорода должны обладать огромной скоростью, чтобы они смогли столкнуться, несмотря на противодействие электростатических сил. Скорость же элементарных частиц тем выше, чем выше температура вещества и его плотность. В ядре температура достигает 15 млн °С, а давление составляет 340 млрд атмосфер. Этого как раз достаточно для термоядерных реакций. Во внешних же слоях Солнца термоядерные реакции не идут, хотя там тоже весьма жарко.
В ходе термоядерных реакций Солнце каждую секунду «сжигает» более 4 млн тонн водорода. Через 5 млрд лет он почти закончится, что приведет к резкому расширению Солнца и его последующему угасанию.
Список использованных источников
Источник
Энергия Солнца за счет термоядерных реакций
Термоядерная реакция происходит когда из более лёгких элементов образуются тяжелые. Это явление может произойти только при высоком давлении и температуре как на Солнце.
Много было гипотез появления энергии от солнца начиная от бомбардировки метеоритами, сжатия элементов до распада тяжелых элементов как при ядерном делении.
Самая верная оказалась гипотеза высказанная в 1935 году американским астрофизиком Ханс Альбрехт Бете: источником солнечной энергии может быть термоядерные реакции на Солнце превращения водорода в гелий. За это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.
Солнце – совершенный термоядерный реактор
В последнее время ученые всего мира пытаются получить термоядерную энергию, которая будет в производстве более эффективна, чем ядерная реакция. Такой термоядерный реактор мог бы соединять легкие ядра в более тяжелые, приблизительно также, как это происходит на Солнце. На разработку этого проекта затрачиваются огромные средства.
В то же время в природе существует уже пять миллиардов лет совершенный термоядерный реактор – Солнце.
В ядре звезды в том числе и как наше Солнце происходит огромное количество реакций. Во время каждой реакции количество частиц понижается. Это вызывает понижение давления в ядре звезды, так как давление пропорционально количеству частиц. Внешняя оболочка звезды сдавливает гелиевое ядро, которое нагревается, подобно тому, как нагревается сдавливаемый воздух в воздушном насосе. Но в то время, как тепло возникает за счет энергии наших мускулов, тепло в ядре звезды возникает за счет гравитационной энергии.
Горячее ядро нагревает слой водорода, покрывающий его. При температуре свыше 7 миллионов градусов по Кельвину водород начинает превращаться в гелий.
На этом этапе звезда, обладает двумя источниками энергии: энергией гравитационного сжатия выгоревшего гелиевого ядра и термоядерных реакций в слое, окружающем ядро.
У звезды с двумя источниками энергии повышается ее светимость. В то время как ядро звезды вследствие сил гравитации сжимается, горение водорода на поверхности звезды в процессе расширения охлаждается (приобретает красный цвет).
Нагревание гелия в ядре красного гиганта продолжается до тех пор, пока температура не достигнет ста миллионов градусов. При этой температуре альфа-частицы сталкиваются с такой скоростью, что преодолевают силу взаимного электрического отталкивания и вследствие этого могут приблизиться на расстояние 1 ферми (1 ферми 1×10 −15 м) . Между альфа-частицами начинает действовать мощная ядерная сила, которая соединяет их в более сложное атомное ядро.
Характеристики превращения
Считается, что термоядерные реакции на солнце совершенные по следующим причинам:
- Превращение водорода в гелий является наиболее эффективным способом освобождения энергии в Солнечной системе. Никакая другая ядерная или химическая реакция не способна освободить из вещества столько ресурсов, сколько освобождается их в недрах Солнца в результате превращения водорода в гелий.
- Самый безопасный реактор, поскольку не может взорваться, обладая столь совершенной системой управления своих внутренних процессов. Всякий рискованный перегрев вызывает расширение и моментальное охлаждение. Температура поверхности Солнца относительно стабильна.
- Почти вечный источник. Ведь процесс освобождения энергии в нем будет продолжаться еще по крайней мере десять миллиардов лет.
- Звезда поставляет на нашу планету беспрерывно громадное количество теплоты (180 000 ТВт), намного больше того количества, которое человечество способно употребить. Парадоксально звучат слова об энергетическом кризисе, в то время как Солнце предлагает нам в 20 000 раз больше, чем нужно всем обитателям Земли вместе взятым.
- Энергия, которую дает нам Солнце, абсолютно чистая. Она не загрязняет окружающую среду ни в химическом, ни в радиоактивном отношении.
- Солнце за счет термоядерной реакции тепло дает даром.
- Оно настолько далеко, что никто не может злонамеренно использовать его в целях уничтожения жизни на нашей планете.
- Совершенный солнечный термоядерный реактор служит исключительно в мирных целях, для пользы всего живого на Земле. В руках человека ядерная энергия превратилась в орудие страдания и смерти (Хиросима и Нагасаки).
- Солнечная энергия, поступающая к нам в виде фотонов, высококачественна. Ее можно легко преобразовывать в любой другой вид необходимый в быту, промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Солнечное излучение можно превращать прямым или косвенным путём в другие виды энергии: электрическую, химическую , тепловую, механическую. Отрасль энергетики, занимающаяся использованием солнечной энергии, называется гелиоэнергетикой. Во многих странах мира функционируют самые разные гелиоустановки.
Источник